Tối ưu hóa tháp chưng cất dầu thô

Tài Liệu học mô phỏng hysys mô phỏng thiết bị

Tối ưu hóa tháp chưng cất dầu thô

Nội dung

Công cụ Optimizer trong HYSYS có thể được sử dụng để tìm max, min của các hàm mục tiêu bất kỳ, các hàm đó có thể nhập và/hoặc tính toán với HYSYS spreadsheet Ví dụ như tìm lợi nhuận lớn nhất từ tháp chưng khí quyển bằng cách tối ưu hóa lựa chọn dầu thô và nhiệt độ dòng nguyên liệu vào

Mục tiêu

Sau khi hoàn thành xong bài này, bạn có thể:

• Sử dụng công cụ Optimizer trong HYSYS để tối ưu hóa các lưu trình

• Sử dụng Spreadsheed để thực hiện các tính toán

Mở rộng lưu trình (Expanding the Flowsheet)

Tiếp tục bài tháp chưng chân không Trong bài này, chúng ta sẽ tối ưu hóa lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu lượng sản phẩm để thu được lợi nhuận là tối đa

Trong các bài trước, chỉ sử dụng một hỗn hợp dầu thô; tuy nhiên, bạn

có thể thay đổi bằng dầu thô rẻ hơn là dầu nặng và thực hiện mô phỏng, tìm cách tối ưu hóa lưu lượng dòng dầu nặng này

Khởi tạo dòng dầu thô mới

1. Vào Basis Enviroment và truy cập vào Oil Manager.

2. Thêm mẫu dầu thô mới với dữ liệu về TBP như dưới đây:

Liquid Volume % TBP (oC)

3. Nhập giá trị khối lượng riêng của dầu thô là 23 API_60 (bulk

density)

4. Thêm một hỗn hợp mới (new Blend) và chia thành 20 điểm cắt

5. Dòng dầu thô mới đặt tên là Heavy Crude, còn dòng dầu thô

“cũ” đã thiết lập từ trước đổi tên là Raw Crude.

6. Trở lại Main Simulation Environment.

Thêm dòng dầu thô mới vào tháp chưng

Dòng Heavy Crude bây giờ đã được xác định, sẽ kết nối nó vào

Mixer, MIX-100

1. Thêm dòng Heavy Crude vào Mixer, MIX-100 (là Mixer đã kết hợp các dòng Raw Crude và Water).

2. Lưu lượng dòng Raw Crude là 330 m 3 /h.

3. Dòng ra khỏi Mixer là Feed, với lưu lượng 693 m 3 /h Đây là lưu

lượng tổng của hỗn hợp dòng dầu và nước

Thay đổi các tham số của tháp

Trong ví dụ này, sẽ thay đổi lưu lượng của dòng dầu thô vào tháp Thay đổi tham số lưu lượng dòng sản phẩm không phải là một ý tưởng tốt trong trường hợp này Bởi vì các dòng sản phẩm sẽ thay đổi, nên là một ý tưởng hay khi không kích hoạt tháp chưng chân bằng cách bấm

vào ô Ignore.

Đặc tính Cut Point cho tháp chưng khí quyển sẽ được đưa về giá trị mặc định ban đầu Vì vậy, trong trang Monitor, nhập thông tin sau cho

danh sách các đặc tính như sau Nhớ rằng đây là 95% D86 Cutpoints.

Naphtha Cut Point 180oC (355oF) Kerosene Cut Point 245oC (475oF) Diesel Cut Point 320oC (610oF)

Những giá trị của điểm cắt (Cut Point) không có nghĩa là xác định giá trị lớn nhất của một điểm cắt nào đó, những giá trị này sẽ cung cấp chất lượng sản phẩm cho mỗi khoảng cắt Hội tụ lại tháp với những đặc tính giá trị điểm cắt mới

The Optimizer

HYSYS có công cụ Optimizer có thể tối ưu hóa đa biến trong mô phỏng tĩnh Khi lưu trình được xây dựng và đã hội tụ, bạn có thể sử dụng Optimizer để tìm các điều kiện vận hành có hàm mục tiêu là max hay min Optimizer trong Spreadsheet dùng trong việc xác định hàm mục tiêu cũng như bất kỳ điều kiện rằng buộc nào được sử dụng Điều

đó cho phép bạn xây dựng được hàm mục tiêu để thu được lợi nhuận lớn nhất, hệ thống phụ trợ ít nhất hoặc năng lượng bộ trao đổi nhiệt

UA là nhỏ nhất

Hãy nhớ bấm phím

Ignore cho tháp

chưng chân không.

Chỉ những đặc tính

được người dùng thiết

lập (có màu xanh) được

sử dụng như là Primary

Variables.

Hạn chế của Optimizer:

• Chỉ tính toán

trong mô phỏng tĩnh.

• Không thể sử

dụng Optimizer

trong Templates.

• Primary Variables – là những biến của quá trình mà giá trị của

nó được điều khiển để tối ưu hóa hàm mục tiêu (đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu) Bạn có thể thiết lập khoảng biên của biến này, sẽ được dùng để thiết lập khoảng tìm kiếm giá trị tối ưu

• Objective Function – đây là hàm sẽ được tối ưu hóa (cực đại hoặc

cực tiểu) Hàm này phải được xác định trong Spreadsheet Điều này cho phép người sử dụng linh hoạt trong việc xác định hàm

• Constraint Functions – các đẳng thức và bất đẳng thức được

xác định trong Spreadsheet Trong quá trình tính toán hàm mục tiêu, Optimizer phải thực hiện các điều kiện rằng buộc do người

sử dụng xác định ban đầu

Trong bài này, mục tiêu tối ưu hóa là tổng lợi nhuận đạt lớn nhất, được tối ưu bằng cách lựa chọn nguyên liệu dầu thô và lưu lượng dòng hơi nước hồi lưu Doanh thu từ tháp chưng khí quyển là các sản phẩm Naphtha, Kerosene, Diesel, AGO và cặn dầu Residual Trong trường hợp này, chi phí đắt nhất là nhiệt năng condenser, reboiler và giá tiền nguyên liệu dầu thô Tất nhiên, lợi nhuận là hiệu số giữa doanh thu và chi phí

Lợi nhuận = Doanh thu – Chi phí Lợi nhuận = Các sản phẩm – Chi phí năng lượng – Chi phí nguyên liệu

Thiết lập công cụ Optimizer

Để có Optimizer, lựa chọn Simulation – Optimizer từ Menu bar hoặc

ấn phím nóng <F5>

Variables Tab

Khi bạn đưa Optimizer ra lần đầu tiên, bạn sẽ thấy Variables Tab Tại

đây, bạn có thể xác định các biến của quá trình (Process Variables) được sử dụng trong tính toán tối ưu hóa

Ấn vào phím Add để thêm hai biến Primary Variables rồi nhập thông

tin như trong bảng sau:

Optimizer là công

cụ tính toán, không

phải là thiết bị và

không xuất hiện

trong PFD.

Object Variable Lower Upper Raw Crude Liquid Volumn Flow 66 m3/hr 660 m3/hr

Giá trị của dòng Heavy Crude 594 m 3 /hr (90,000 bbl/d), lưu lượng dòng Raw Crude cần trong khoảng 66 m 3 /hr (10,000 bbl/d) và 660

m 3 /hr (100,000 bbl/d).

Xác định Spreadsheet

Công cụ Optimizer đòi hỏi phải xác định hàm mục tiêu và các điều kiện rằng buộc giữa chúng Primary Variable có thể được nhập và hàm xác định trong Optimizer Spreadsheet

Nhập và xuất các biến

Bạn có thể nhập bất kì một biến nào trong mô phỏng vào Spreadsheet

và xuất các giá trị từ trong ô của Spreadsheet tới bất kì trường đặc tính nào trong mô phỏng của bạn

• Object Inspection – kiểm soát mục tiêu (ấn phím trái chuột) vào

ô mà bạn muốn xuất hoặc nhập thông tin từ đó Từ Menu xuất

hiện, chọn Import Variable hoặc Export Formula Result Sau

đó, sử dụng Variable Navigator, lựa chọn biến mà bạn muốn xuất hoặc nhập

• Connections page Tab – lựa chọn phím Add Import hoặc Add Export, sau đó sử dụng Variable Navigator, lựa chọn biến mà

bạn muốn xuất hoặc nhập

• Drag’n Drop – sử dụng phím trái chuột, click vào giá trị của

biến (từ Workbook hoặc Property View) mà bạn muốn nhập, và thả vào vị trí mong muốn trong Spreadsheet Nếu bạn muốn nhập biến, kéo từ Spreadsheet tới vị trí bạn muốn nhập

Nhập như các thông tin dưới đây trong Spreadsheet:

Giá trị upper và

lower là rất quan

trọng Đây là giá trị

đạt được từ thiết kế

hiện tại của bạn, chú

ý đừng đặt giá trị

biên lớn nhất cho

Steam Heat Flow lớn

hơn giá trị xuất hiện

trong case của bạn.

Giá trị trong các ô của

Spreadsheet sẽ thay đổi

khi thay đổi biến trong

Flowsheet Biểu tượng

của Spreadsheet xuất

hiện trong PFD.

Cell… Object… Variable…

Liquid Volumn Flow

Heat Flow

Kích thước của

Spreadsheet có

thể được hiệu

chỉnh trong

Parameters tab

Đặt số dòng là 15.

Nhập thêm các giá trị như bảng dưới đây vào Spreadsheet:

Thêm các công thức tính

Các công thức tính toán có thể được thiết lập, sử dụng cú pháp đơn giản để tính toán trong Spreadsheet Hàm số học, loga và lượng giác có thể được thực hiện trong Spreadsheet

Tất cả các hàm phải có kí tự “+” đi đằng trước Một số hàm đặc biệt phải có thêm kí tự “@”

Một số hàm như dưới đây:

• Cộng (+) : +A1+A2

• Trừ (-): +A1-A2

• Nhân (*): +A1*A2

• Chia (/): +A1/A2

• Bậc (^): +A1^3

• Trị tuyệt đối (@ABS): +@ABS(A1)

• Bình phương (@SQRT): +@SQRT(A1)

• Loga tự nhiên (@ln): +@ln(A1)

Ấn Function Help để

xem các hàm và biểu

thức có thể có trong

Spreadsheet.

Bạn có thể thay

đổi kiểu biến $

thành không thứ

nguyên.

• Số mũ (@exp): +exp(A1) Thêm các công thức sau vào Spreadsheet Trong ô D10 và D11 không

có công thức Chú ý đặc biệt về đơn vị khi nhập các công thức này:

Giá trị trong ô D13 là hàm mục tiêu Nếu hệ đơn vị bạn chọn là SI thì giá trị thu được là $/hr, còn nếu bạn chọn Field, giá trị có đơn vị là

$/day

Functions Tab

Functions tab có chứa hai nhóm là Objective Function và Constraint Functions.

1. Trong vùng Cell của nhóm Objective Function, tạo lập đặc

tính của ô Spreadsheet xác định hàm mục tiêu Sử dụng danh

sách thả xuống từ Edit Bar, lựa chọn D13 Ô này có hàm mục

Ô D13 chứa hàm

mục tiêu của bạn

Đây là giá trị bạn

muốn tối đa nó.

Công thức nào cần được nhập vào ô D10?

Và ô 11?

Quan sát đơn vị Tất

cả các đơn vị trong

tháp là $/hr hay

$/day

tiêu là lợi nhuận Giá trị hiện tại của hàm mục tiêu sẽ hiển thị

trong ô Current Value.

2. Chọn phím Maximize.

3. Thêm các điều kiện rằng buộc khác vào nhóm Constraint Functions Chúng ta sẽ không có các điều kiện ràng buộc khác

nào cả Optimizer sẽ không phá vỡ các giá trị đã được thiết lập cho các thiết bị khác Ví dụ, Optimizer vẫn giữ đặc tính Cut Point đã thiết lập cho tháp

Parameters Tab

Parameter tab đước sử dụng để lựa chọn cách thức tối ưu hóa.

• Box – tính toán các bất đẳng thức mà không tính các đẳng thức.

Nói chung yêu cầu số bước lặp lớn để hội tụ được giải pháp

• SQP – Sequential Quadratic Programming, tính toán cả bất đẳng

thức và đẳng thức Đa số trường hợp sử dụng để tính bài toán tìm giá trị cực tiểu

• Mixed – chỉ tính bất đẳng thức Đây là sự kết hợp của hai

phương pháp Box và SQP ở trên Nó bắt đầu tính bằng giá trị nhỏ nhất với phương pháp Box, sử dụng sai số hội tụ không chặt

Giá trị hiện tại của Objective Function

Để có thêm thông

tin về cách thức

tối ưu hóa, tham

khảo bài 17.2

hoặc Help

Online.

chẽ Sau khi hội tụ, phương pháp SQP được sử dụng để tìm ra giải pháp cuối cùng

• Fletchet Reeves – không tính các biểu thức ràng buộc Phương

pháp hiệu quả cho tìm giá trị min

• Quasi – Newton – như Fletcher Reeves nhưng đơn giản hơn.

1. Chọn phương pháp Mixer là cách thức tối ưu hóa.

2. Sử dụng sai số cho phép (Tolerance) và số vòng lặp (Number

of Iterations) như mặc định.

Monitor tab

Monitor tab hiển thị giá trị của Objective Function, Primary Variable

và Constraint Function trong suốt quá trình tính toán của Optimizer

Chuyển sang Monitor tab, ấn phím Start để bắt đầu tối ưu hóa.

Thường mất vài phút để tối ưu hóa tháp chưng

Giá trị của Objective Function sau khi tối ưu hóa là bao nhiêu?

Cái gì có thể làm tăng thêm giá trị này?

Để có thêm thông

tin chi tiết

Optimization

Schemes, đọc

trong tài liệu

hướng dẫn sextion

17.2 hoặc Help

on-line.

Các giá trị ràng

buộc là dương nếu

đó là bất đẳng

thức thỏa mãn, là

âm nếu bất đẳng

thức không thỏa

mãn.